JP2005059656A - Landing control device and method for flying object - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、飛行体の着陸制御装置およびその方法に係り、特に、船舶の甲板のように着陸面が経時的に揺動するような場所への着陸における垂直方向の速度制御に関する。 The present invention relates to an aircraft landing control apparatus and method, and more particularly to vertical speed control in landing on a place where a landing surface fluctuates with time, such as a ship deck.
従来より、制御対象の非線形的な要素、外乱、或いは、環境の経時的な変化に拘わらず、制御対象の制御を高精度に行う技術の一つとして、ニューラルネットワークを用いた制御技術が種々提案されている。ニューラルネットワークでは、事前に行う学習において、その結合重み係数を適切に設定することにより、所定の入力情報に基づいて、必要となる制御パラメータを精度よく出力することができる。ニューラルネットワークにおける学習では、一般にバックプロパゲーション法と呼ばれる手法が用いられる。ニューラルネットワークを用いた制御としては、例えば、特許文献1に開示された内燃機関の空燃比制御、或いは、特許文献2に開示されたロボットや工作機械、XYステージ、ディスク装置などの制御が挙げられる。
Conventionally, various control technologies using neural networks have been proposed as one of the technologies for controlling the controlled object with high accuracy regardless of the non-linear element, disturbance, or environmental change over time. Has been. In the neural network, necessary control parameters can be accurately output based on predetermined input information by appropriately setting the coupling weighting coefficient in the learning performed in advance. In learning in a neural network, a technique called a back propagation method is generally used. Examples of control using a neural network include air-fuel ratio control of an internal combustion engine disclosed in
ところで、ヘリコプターなどの垂直離着陸航空機は、離着陸時に長い滑走路を必要とせず、着陸場所を選ばないという理由から、数多くの場面で使用されており、その制御の自動化が望まれている。
しかしながら、この類の飛行体では、着陸場所を選ばないというメリットが、かえって制御の自動化を困難としていた。例えば、船舶の甲板に着陸するようなケースでは、波面に起因して着陸面が揺動するため、静的な着陸面に着陸するよりも、垂直方向の速度制御が難しい。なぜならば、速度制御を誤ると、着陸時の衝撃が大きくなり(ハードランディング状態)、機体を損傷しかねないからである。また、波面には規則性がないため、これを予測して制御を行うことが従来の制御技術では難しく、熟練したオペレータの手動操縦に頼るしかなかった。 However, with this type of aircraft, the advantage of not choosing a landing location has made it difficult to automate control. For example, in the case of landing on the deck of a ship, the landing surface fluctuates due to the wavefront, so vertical speed control is more difficult than landing on a static landing surface. This is because if the speed control is mistaken, the impact at the time of landing will increase (hard landing state) and the aircraft may be damaged. In addition, since the wavefront has no regularity, it is difficult to perform control by predicting this, and it has been difficult to rely on the manual operation of a skilled operator.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、新規な構成を有する飛行体の着陸制御装置を提供することである。 This invention is made | formed in view of this situation, The objective is to provide the landing control apparatus of the flying body which has a novel structure.
また、本発明の別の目的は、揺動する着陸面への着陸において、垂直方向の速度制御を適切に行うことである。 Another object of the present invention is to appropriately perform vertical speed control when landing on a swinging landing surface.
かかる課題を解決するために、第1の発明は、少なくとも着陸面から飛行体までの相対高度を検出する検出部と、検出部によって検出された検出値を入力として、飛行体の着陸制御パラメータを出力するニューラルネットワークであって、ニューラルネットワークにおける第1のノードの出力が第1のノードとは異なる第2のノードへ入力されるフィードバックループを有するニューラルネットワークで構成されたパラメータ生成部と、パラメータ生成部から出力された着陸制御パラメータに基づいて、飛行体を制御する制御部とを有する飛行体の着陸制御装置を提供する。 In order to solve such a problem, the first invention has at least a detection unit that detects a relative altitude from the landing surface to the flying object, and a detection value detected by the detection unit as inputs, and sets a landing control parameter of the flying object. A parameter generation unit configured with a neural network having a feedback loop in which an output of a first node in the neural network is input to a second node different from the first node; A landing control device for a flying object having a control unit for controlling the flying object based on a landing control parameter output from the unit.
ここで、第1の発明において、ニューラルネットワークは、ニューラルネットワークにおける結合重み係数が、遺伝的アルゴリズムを用いて学習されていることが好ましい。この場合、結合重み係数は、それぞれが異なる着陸面の揺動を再現する複数の揺動モデルを用いて飛行体の着陸状態を評価することにより、評価条件に適合した結合重み係数の最適解が設定されていることが好ましい。また、複数の揺動モデルは、所定の世代周期の進化毎に、異なる揺動モデルと変更されてもよい。さらに、結合重み係数は、着陸面の揺動状態がオペレータによって意図的に操作された人工揺動モデルを用いて飛行体の着陸状態を評価することにより、評価条件に適合した結合重み係数の最適解が設定されていることが好ましい。 Here, in the first invention, the neural network preferably has a connection weight coefficient in the neural network learned by using a genetic algorithm. In this case, the coupling weight coefficient is obtained by evaluating the landing state of the flying object using a plurality of rocking models that reproduce the rocking of different landing surfaces. It is preferable that it is set. In addition, the plurality of swing models may be changed to different swing models for each evolution of a predetermined generation cycle. In addition, the coupling weight coefficient is determined as the optimal coupling weight coefficient that meets the evaluation conditions by evaluating the landing state of the flying object using an artificial rocking model in which the rocking state of the landing surface is intentionally manipulated by the operator. It is preferable that a solution is set.
また、第1の発明において、ニューラルネットワークは、入力層、中間層および出力層からなる複数層より構成されており、出力層における第1のノードの出力を入力層の第2のノードの入力へフィードバックさせるフィードバックループを有することが好ましい。 In the first invention, the neural network includes a plurality of layers including an input layer, an intermediate layer, and an output layer, and the output of the first node in the output layer is input to the input of the second node of the input layer. It is preferable to have a feedback loop for feedback.
また、第2の発明は、ニューラルネットワークにおける第1のノードの出力が第1のノードとは異なる第2のノードへ入力されるフィードバックループを有するニューラルネットワークに、少なくとも着陸面から飛行体までの相対高度を入力することにより、飛行体の着陸制御パラメータを出力する第1のステップと、前記ニューラルネットワークから出力された着陸制御パラメータに基づいて、飛行体を制御する第2のステップとを有する飛行体の着陸制御方法を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a neural network having a feedback loop in which an output of a first node in a neural network is input to a second node different from the first node. A vehicle having a first step of outputting a landing control parameter of the flying object by inputting an altitude and a second step of controlling the flying object based on the landing control parameter output from the neural network. A landing control method is provided.
ここで、第1の発明または第2の発明において、フィードバックループは、第1のノードの出力を時間的に遅らせて第2のノードへ入力することが好ましい。 Here, in the first invention or the second invention, it is preferable that the feedback loop delays the output of the first node and inputs it to the second node.
また、第2の発明において、ニューラルネットワークにおける結合重み係数を、遺伝的アルゴリズムを用いて学習する第3のステップをさらに有することが好ましい。この場合、第3のステップは、それぞれが異なる着陸面の揺動を再現する複数の揺動モデルを用いて飛行体の着陸状態を評価することにより、評価条件に適合した最適解を結合重み係数として設定するステップであることが好ましい。また、第3のステップは、所定の世代周期の進化毎に、複数の揺動モデルを異なる揺動モデルと変更するステップを含んでもよい。さらに、第3のステップは、着陸面の揺動状態がオペレータによって意図的に操作された人工揺動モデルをさらに用いて飛行体の着陸状態を評価することにより、評価条件に適合した最適解を結合重み係数として設定するステップを含むことが好ましい。 In the second invention, it is preferable that the method further includes a third step of learning a connection weight coefficient in the neural network using a genetic algorithm. In this case, the third step evaluates the landing state of the flying object using a plurality of rocking models that reproduce the rocking of the landing surfaces that are different from each other. It is preferable that it is a step to set as. Further, the third step may include a step of changing a plurality of swing models to different swing models for each evolution of a predetermined generation period. Further, the third step is to evaluate the landing state of the flying object by further using an artificial rocking model in which the rocking state of the landing surface is intentionally operated by the operator, thereby obtaining an optimal solution that meets the evaluation condition. Preferably, the method includes a step of setting as a coupling weight coefficient.
このように本発明によれば、ニューラルネットワークを用いることで、新たな着陸制御装置を提供することができる。また、フィードバックループを有するニューラルネットワークを用いることで、あるノードの出力が、別のノードにフィードバックされる。これにより、着陸面の揺動に関する時系列的な推移の特徴をニューラルネットワークが記憶することができる。そのため、着陸面の過去の時系列的な揺動が考慮され、着陸面の状態を予見することで、着陸を安定的に制御することができる。 Thus, according to the present invention, a new landing control device can be provided by using a neural network. Also, by using a neural network having a feedback loop, the output of one node is fed back to another node. Thereby, the neural network can memorize the characteristics of the time-series transition related to the swing of the landing surface. Therefore, it is possible to stably control the landing by considering the time-series fluctuation of the landing surface in the past and predicting the state of the landing surface.
図1は、本実施形態にかかる飛行体の着陸制御装置のブロック構成図である。この着陸制御装置1は、ヘリコプターなどの垂直離着陸航空機(以下単に「飛行体」という)に搭載されており、着陸時の垂直方向の速度制御を行う。着陸制御装置1は、検出部10と、パラメータ生成部20と、制御部30とで構成される。
FIG. 1 is a block configuration diagram of a landing control device for an aircraft according to the present embodiment. The
検出部10は、飛行体の状態を検出する第1の検出部11と、飛行体と着陸面との相対的な関係を検出する第2の検出部12とで構成される。第1の検出部11としては、例えば、加速度計が挙げられ、この第1の検出部11により、飛行体の水平方向の加速度(以下「機体加速度」という)が検出される。また、この第1の検出部は、検出された機体加速度を積分することにより、飛行体の水平方向の速度(以下「機体速度」という)を算出する。一方、第2の検出部としては、例えば、ステレオカメラおよび画像処理系を含むステレオ画像処理装置が挙げられ、この第2の検出部12により、飛行体と着陸面との距離(すなわち、相対高度)が検出される。このステレオカメラは、飛行体の機体下部に取付けられており、飛行体真下の景色を撮像することにより、一対の撮像画像を出力する。ステレオカメラから出力された撮像画像対は後段に設けられた画像処理系によって周知のステレオ画像処理が行われ、これにより、距離データが生成される。この距離データは、一方の撮像画像と他方の撮像画像とにおいて、互いに輝度の相関を有する微小画像領域のずれ量(すなわち、視差)の集合であり、機体下方の距離の二次元的な分布を示す。そして、この距離データに基づいて、着陸面までの距離(相対高度)が算出される。また、算出された相対高度の単位時間当たりの変化量に基づいて、飛行体の垂直方向の速度(以下「垂直速度」という)が算出される。検出部10によって検出されたこれらの値は、後段のパラメータ生成部20に対して出力される。
The
図2は、パラメータ生成部20の詳細を示す説明図である。パラメータ生成部20は、ニューラルネットワークNNによって構成される。ニューラルネットワークNNは、それぞれが同一機能を有する複数のノードNを有し、各ノードが階層的に設けられた階層型ニューラルネットワークである(本実施形態では、入力層、中間層および出力層からなる複数層の階層型ニューラルネットワーク)。このニューラルネットワークNNにおいて、各層を構成するノードNの数は、オペレータによって適宜設定される。オペレータは、ノードNを増やすことで得られる解(出力値)の信頼性の向上と、ノードNの数を減らすことで得られる処理速度の向上という相反する両者の関係(トレードオフ)を考慮した上で、各層が最適なノード数となるようにネットワーク構造を決定する。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing details of the
このニューラルネットワークNNにおいて、入力層には、ニューラルネットワークNNが着陸制御パラメータ(本実施形態では、垂直方向の着陸速度)を生成・出力するために必要な情報を入力する分のノードNが設定される。本実施形態では、検出部10によって検出された機体加速度、機体速度、相対高度および垂直速度をそれぞれ入力するためのノードNが入力層に設定される。出力層には、飛行体の着陸制御パラメータを出力するノードNが設定される。一方、中間層のノードNは、上述したトレードオフの関係を考慮した上で、オペレータの経験を頼りに、必要な個数分のノードNが用意される。
In this neural network NN, nodes N corresponding to input information necessary for the neural network NN to generate and output landing control parameters (vertical landing speed in this embodiment) are set in the input layer. The In the present embodiment, the node N for inputting the airframe acceleration, the airframe speed, the relative altitude, and the vertical speed detected by the
また、このニューラルネットワークNNには、あるノードN(本実施形態では、出力層のノードN)の出力が別のノードN(本実施形態では、入力層のノードN)へ入力されるフィードバックループが設けられている。そのため、出力層には、フィードバック用の出力を目的としたノードN(本実施形態では1つ)がさらに設定されており、入力層には、この出力に対する入力を目的としたノードN(本実施形態では3つ)がさらに設定されている。このループにより、出力層のノードNの出力は、システム処理上、一サイクルだけ遅延された後に、入力層のノードNに入力される。また、このノードNの出力は、第1の遅延素子Z-1によって更に一サイクルだけ遅延された後に(したがって、ノードNの出力に対応する初期の入力からは二サイクルだけ遅延された後)、入力層のノードNに入力される。また、第1の遅延素子Z-1からの出力は、その後段に設けられた第2の遅延素子Z-1によって更に一サイクルだけ遅延された後(したがって、ノードNの出力に対応する初期の入力からは三サイクルだけ遅延された後)に、入力層のノードNに入力される。なお、本実施形態において、このフィードバックループはニューラルネットワーク内に存在するループを指す。すなわち、出力層からのフィードバックは、ニューラルネットワークNN内において完結する。 Further, this neural network NN has a feedback loop in which the output of a certain node N (in this embodiment, the node N in the output layer) is input to another node N (in this embodiment, the node N in the input layer). Is provided. Therefore, the node N (one in this embodiment) for the purpose of output for feedback is further set in the output layer, and the node N (in this embodiment) for the purpose of input to this output is set in the input layer. In the form, three) are further set. By this loop, the output of the node N in the output layer is delayed by one cycle in system processing and then input to the node N in the input layer. Also, after the output of this node N is further delayed by one cycle by the first delay element Z −1 (thus after being delayed by two cycles from the initial input corresponding to the output of node N), Input to node N in the input layer. Further, the output from the first delay element Z -1, after being further delayed by one cycle by the second delay elements Z -1 provided at the subsequent stage (thus, the initial corresponding to the output node N After being delayed by three cycles from the input), it is input to node N in the input layer. In the present embodiment, this feedback loop refers to a loop existing in the neural network. That is, feedback from the output layer is completed within the neural network NN.
それぞれのノードNは、入力データyiに対して数式1,2に示す計算を行い、その演算結果を出力データYjして出力する。ここで、wijは、i番目の素子とj番目の素子との間の結合重み係数であり、θjはしきい値である。
Each node N performs calculations shown in
これらの数式1,2から分かるように、あるノードNからの出力は、所定の結合重み係数Kijに応じて他のノードNへ入力される。ここで、数式2は、シグモイド関数と呼ばれ、ニューラルネットワークNNにおけるノードの関数として一般に用いられる。シグモイド関数は、0から1まで連続的に変化し、しきい値θjが小さくなるにつれて、ステップ関数に近づいていく。
As can be seen from these
ニューラルネットワークNNを用いて着陸制御パラメータを出力する場合、その出力結果の精度向上を図るためには、予め結合重み係数Kijとしきい値θjとを適切に調整(学習)する必要がある。これらの結合重み係数Kijとしきい値θjとの学習は、遺伝的アルゴリズムを用いて行われる。 When the landing control parameter is output using the neural network NN, it is necessary to appropriately adjust (learn) the coupling weight coefficient Kij and the threshold value θj in advance in order to improve the accuracy of the output result. Learning of these connection weight coefficients Kij and threshold value θj is performed using a genetic algorithm.
制御部30は、パラメータ生成部20から出力された着陸制御パラメータ(本実施形態では、着陸速度)と、着陸制御パラメータの現在値(すなわち、垂直速度)とを比較する。そして、飛行体が、パラメータ生成部20によって生成・出力された着陸速度となるように各種アクチュエータを制御する。これにより、エンジン出力、或いは、ローターの回転数・ピッチが制御され、飛行体の垂直速度が調整される。
The
図3は、遺伝的アルゴリズムを用いた結合重み係数wijとしきい値θjとの決定手順を示すフローチャートである。この処理では、結合重み係数wijとしきい値θjとの値を学習によって適宜調整しながら、このニューラルネットワークNNから出力される着陸制御パラメータに従い飛行体を制御する。そして、飛行体の挙動が所定の評価条件を具備したと判断した場合に、この学習が終了する。この評価条件としては、「着陸すること」、「着陸時の垂直速度が小さいこと」、「着陸に要する時間が短いこと」、「着陸に要するエネルギー量が小さいこと」などが挙げられる。なお、飛行体を直接制御すると、実機を破壊するおそれがあるため、シミュレーションによって学習が進められる(図4参照)。 FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for determining the connection weight coefficient wij and the threshold value θj using a genetic algorithm. In this process, the flying object is controlled according to the landing control parameters output from the neural network NN while appropriately adjusting the values of the coupling weight coefficient wij and the threshold value θj by learning. Then, when it is determined that the behavior of the flying object has a predetermined evaluation condition, the learning ends. The evaluation conditions include “landing”, “low vertical velocity at landing”, “short time for landing”, “small amount of energy required for landing”, and the like. Note that if the flying object is directly controlled, there is a risk of destroying the actual aircraft, so learning proceeds by simulation (see FIG. 4).
まず、ステップ1において、遺伝子型で構成される個体が複数集合した初期個体集団が生成される。遺伝子型には、結合重み係数Kijおよびしきい値θjが該当する。一つの個体は、ニューラルネットワークNNにおけるすべての結合重み係数Kijおよびしきい値θjを遺伝子型として有する。初期個体集団は、このような個体がn個集合したものであり、個体毎に様々な値の遺伝子型Kij,θjで構成される。各個体1〜nを構成する遺伝子型Kij,θjは、例えば、乱数によって初期値が決定される。そのため、個体1〜n毎に結合重み係数Kijとしきい値θjとをニューラルネットワークNNに設定すれば、結合重み係数Kijとしきい値θjが設定されたn個のニューラルネットワークNNを得る。
First, in
ステップ2において、着陸シミュレーションが行われる。このシミュレーションでは、それぞれの個体1〜Nを処理対象として、遺伝子型Kij,θjが設定されたニューラルネットワークNNから出力される着陸制御パラメータに基づいて、飛行体を制御した際の着陸状態が再現される。シミュレータ40には、波面の状態に応じた船舶上の着陸面の揺動状態を周知の関数式で表現した揺動モデルが用意されている。着陸面の揺動状態には種々のバリエーションが考えられるため、各個体1〜nにおける一世代の学習では、それぞれが異なる着陸面の揺動を再現する複数(例えば、20個)の揺動モデルが用いられる。また、シミュレータ40には、オペレータによって意図的に操作された人工揺動モデル(具体的には、波面に起因する着陸面の揺動では再現できないようなダイナミックな着陸面の揺動状態)も用意されている。図5は、人工揺動モデルの一例を示す図である。同図には、人工揺動モデルによって再現される着陸面の経時的な推移(揺動パターン)が実線で示されており、飛行体の相対高度の経時的な推移が点線で示されている。この人工揺動モデルでは、飛行体と着陸面との距離がある一定値(例えば、1m)以下となるまで、着陸面が不動の状態に維持される。そして、この一定値よりも飛行体が着陸面に近づいた場合に、着陸面は所定量だけ下方(飛行体から離れる方向)に移動する。そして、ある一定量だけ下方に移動した後に、飛行体が着陸するまで着陸面が上方(飛行体に近付く方向)に移動する。
In
着陸状態の再現は、揺動モデルおよび人工揺動モデルに対する飛行体モデルによって再現された飛行体の挙動に基づいて、行われる。この飛行体モデルは、予め関数式で飛行体の挙動をモデル化したものであり、これにより、ある着陸制御パラメータに基づいて飛行体を制御した場合の飛行体の実挙動が再現される。このシミュレーションにおいて、シミュレータ40からは、飛行体の相対高度、垂直速度が算出され、ニューラルネットワークNNにフィードバックされる。また、飛行体モデルから、飛行体の機体速度および機体加速度が算出され、これらの値もニューラルネットワークNNにフィードバックされる。このような処理を繰り返すことにより、揺動モデル(または人工揺動モデル)に対する着陸状態のシミュレーションが行われる。図6は、着陸シミュレーションにおける飛行体の高度軌跡を示した図である。同図には、飛行体の相対高度の経時的な推移が実線で示されており、着陸面の揺動パターンが点線で描かれている。シミュレーションを通じて、飛行体が着陸したか否か、着陸時の機体速度、着陸に要した時間、着陸に要したエネルギー量が特定される。
The landing state is reproduced based on the behavior of the flying object reproduced by the flying object model with respect to the swing model and the artificial swing model. This flying object model is obtained by modeling the flying object behavior in advance using a functional equation, and thereby, the actual behavior of the flying object when the flying object is controlled based on a certain landing control parameter is reproduced. In this simulation, the relative height and vertical velocity of the flying object are calculated from the
ステップ3において、シミュレーション結果に基づいて、それぞれの個体1〜nについて、評価値Aが算出される。この評価値Aは、「着陸すること」、「着陸時の機体速度が小さいこと」、「着陸に要する時間が短いこと」および「着陸に要するエネルギー量が小さいこと」といった複数の評価条件(複合条件)を総合的に満足する個体ほど、すなわち、よい評価を得る個体ほどその値が小さくなる。例えば、この評価値Aは、それぞれの評価条件について個別に評価値を算出し、これら算出された評価値に対応する評価条件の重要度に応じて重み係数を設定することにより、積和演算を用いて算出するといった如くである。そして、個体集団中の各個体1〜nは、その評価値Aが小さい個体から順番に、個体1〜nとして新たに並び替えられる。 In Step 3, an evaluation value A is calculated for each individual 1 to n based on the simulation result. This evaluation value A has a plurality of evaluation conditions (compounds such as “landing”, “low aircraft speed at landing”, “short time required for landing”, and “low amount of energy required for landing”). The value is smaller as the individual satisfies the condition), that is, as the individual obtains a good evaluation. For example, the evaluation value A is calculated individually for each evaluation condition, and the product-sum operation is performed by setting a weighting factor according to the importance of the evaluation condition corresponding to the calculated evaluation value. And so on. Then, each individual 1 to n in the individual group is newly rearranged as the individual 1 to n in order from the individual having the smallest evaluation value A.
ステップ4において、個体1に関する評価値Aが、判定評価値Aerror以下であるか否かが判断される。この判定評価値Aerrorは、飛行体の着陸状況が先の複合条件を充分に満足したとみなすことができる評価値Aの最大値として、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。このステップ4において、否定判定された場合、すなわち、評価値Aが判定評価値Aerrorよりも大きい場合、続くステップ5に進む。一方、このステップ4において、肯定判定された場合、すなわち、評価値Aが判定評価値Aerror以下の場合、ステップ8に進む。
In
ステップ5において、遺伝的アルゴリズムによる進化演算が行われる。具体的には、個体集団において、個体1〜nの選択・淘汰が行われる。このような選択・淘汰の手法としては、逆ルーレット式選択、ランク方式選択、トーナメント式選択等が挙げられる。このステップ4の処理により、ある個体(或いは、個体群)が選択され、選択された個体が個体集団の中から削除される。この削除された個体の位置には、例えば、評価値Aが小さい方から同数の個体を移すことで、個体集団を構成する個体の数が維持される。つぎに、次世代の個体集団が生成される。具体的には、最適化部10は、集団中の個体を構成する遺伝子型Kij,θjを突然変異および交叉させる。突然変異では、ある個体中の任意の遺伝子型Kij(またはθj)が、例えば、乱数によって選択され、乱数により発生した値に変化される。また、交叉では、乱数により選択したある個体群において、これもまた乱数により選択された遺伝子型Kij(またはθj)の値を互いに交換する。ただし、突然変異および交叉を行う個体の選択手法としては、乱数によって選び出すことに限定されず、評価値Aが最も小さい個体1については、その個体を維持するために、突然変異および交叉を行わないようにしてもよい。
In
ステップ6において、現在の個体集団が、所定の世代周期(例えば、100世代)進化したか否かが判断される。この判断を設ける理由は、ある特定の条件のみで学習を行った場合に、過学習が生じるからである。過学習は、学習した条件(20個の揺動モデル)下では、優秀な結果を得るものの、未知の条件に対しては、外乱などの影響により、同様な結果を得ることができないという特性のことである。そのため、適度な周期で条件(揺動モデル)を変更し、過学習の発生を抑制する必要が生じる。このステップ6で肯定判定された場合、すなわち、ある世代周期進化した場合には(例えば、n×100世代(n=1,2,・・・))、ステップ7に進む。一方、このステップ否定判定された場合には、ステップ7をスキップして、ステップ2へ戻る。
In
ステップ7において、揺動モデルが変更される。この変更は、20個すべての揺動モデルを変更してもよいし、また、幾つかの揺動モデル(例えば、10固程度)を選択的に変更してもよい。そして、ステップ2以降の処理に戻り、個体1の評価値Aが判定評価値Aerror以下となるまで、上述した処理が繰り返される。
In step 7, the swing model is changed. For this change, all 20 swing models may be changed, or some swing models (for example, about 10) may be selectively changed. Then, returning to the processing after
ステップ8では、個体1を構成する遺伝子型Kij,θj、すなわち、評価条件に適合した遺伝子型Kij,θjが最適解として決定され、本ルーチンを抜ける。この場合、この個体1を構成する遺伝子型Kij,θjに基づき、これらの遺伝子型Kij,θjの値が、ニューラルネットワークNNにおける結合重み係数Kijおよびしきい値θjとして設定される。
In step 8, the genotypes Kij and θj constituting the
図7は、世代進化にともなう評価値Aの推移を示す図である。同図から分かるように、世代が進行するにつれ、評価値Aは小さくなる。これは、世代進行とともに学習が進み、ニューラルネットワークNNの結合重み係数Kijおよびしきい値θjが適切に調整されていることを意味する。一定の世代周期に到達すると、揺動モデルが変更される。そのため、未知の条件が新たに加えられ、一時的に評価値Aが大きくなる。しかしながら、さらに世代が進行し、学習が進むにつれ、評価値Aは次第に小さくなる。そして、定期的に揺動モデルを変更すると、一時的には評価値が悪化するものの、変更を繰り返すことで、種々の揺動モデルに対する対応力が増し、揺動モデルを変更した際の評価値Aの上がり幅(大きくなる程度)は徐々に小さくなる。そして、最終的には、評価値Aが、判定評価値Aerror以下となるまで学習が行われ、最適な遺伝子型Kij,θjを得ることができる。 FIG. 7 is a diagram showing the transition of the evaluation value A with the generation evolution. As can be seen from the figure, the evaluation value A decreases as the generation progresses. This means that learning progresses as the generation progresses, and the connection weight coefficient Kij and threshold value θj of the neural network NN are appropriately adjusted. When a certain generation period is reached, the swing model is changed. Therefore, an unknown condition is newly added, and the evaluation value A temporarily increases. However, the evaluation value A gradually decreases as the generation progresses and learning progresses. If the swing model is changed periodically, the evaluation value temporarily deteriorates. However, by repeating the change, the response to various swing models increases, and the evaluation value when the swing model is changed. The rising width of A (the degree of increase) gradually decreases. Finally, learning is performed until the evaluation value A becomes equal to or less than the determination evaluation value Aerror, and optimal genotypes Kij and θj can be obtained.
このように、本実施形態によれば、遺伝的アルゴリズムを用いて、フィードバックループを有するニューラルネットワークNNの結合重み係数Kij(さらには、しきい値θj)の学習を行い、その最適解を決定している。フィードバックを有するニューラルネットワークNNは、バックプロパゲーションといった最急降下法の原理に基づいた学習則を行うことができないという問題がある。しかしながら、本実施形態では、遺伝的アルゴリズムを用いることにより、これを解決することができる。 As described above, according to the present embodiment, the genetic weight is used to learn the connection weight coefficient Kij (and the threshold value θj) of the neural network NN having the feedback loop, and the optimum solution is determined. ing. The neural network NN having feedback has a problem that a learning rule based on the principle of steepest descent method such as backpropagation cannot be performed. However, in the present embodiment, this can be solved by using a genetic algorithm.
また、フィードバックを持つニューラルネットワークNNを用いることで、出力層のノードNの出力が、入力層のノードNにフィードバックされる。フィードバックを持たないニューラルネットワークNNにおいて、出力層の出力(着陸制御パラメータ)はある時点における入力に依存しており、過去の入力履歴は出力に影響を及ぼさない。したがって、時系列的なデータを入力しても、以前の時系列的なデータの推移の特徴を考慮した上での出力が行われない。本実施形態では、ニューラルネットワークが有するフィードバックループにより、着陸面の揺動に関する時系列的な推移の特徴(揺動パターン)が、その構造により記憶される。これにより、着陸面の過去の時系列的な揺動が考慮され、着陸面の状態を予見した着陸制御パラメータが、ニューラルネットワークNNによって出力される。このため、この着陸制御パラメータを用いることにより、安定的な速度制御を行うことができる。 Further, by using the neural network NN having feedback, the output of the node N in the output layer is fed back to the node N in the input layer. In the neural network NN having no feedback, the output of the output layer (landing control parameter) depends on the input at a certain point in time, and the past input history does not affect the output. Therefore, even if time-series data is input, no output is performed in consideration of the characteristics of the transition of the previous time-series data. In this embodiment, the characteristics of the time-series transition (swing pattern) related to the swing of the landing surface are stored by the structure of the feedback loop of the neural network. As a result, past time-series fluctuations of the landing surface are taken into consideration, and landing control parameters foreseeing the state of the landing surface are output by the neural network NN. For this reason, stable speed control can be performed by using this landing control parameter.
なお、上述したニューラルネットワークNNの構造は一例であり、これ以外にも、フィードバック出力を目的としたノードNを出力層に更に設けてもよい。また、着陸制御パラメータ出力と、フィードバック出力とを目的とした単一のノードのみで出力層を構成してもよい。さらに、時間的な遅延を伴うフィードバックであるならば、そのフィードバックループは、出力層から入力層に設ける以外にも、中間層から入力層へフィードバックループを設けたり、出力層から中間層へフィードバックループを設けたりと、そのバリエーションは様々である。 Note that the above-described structure of the neural network NN is merely an example, and besides this, a node N for the purpose of feedback output may be further provided in the output layer. Further, the output layer may be configured with only a single node for the purpose of landing control parameter output and feedback output. Furthermore, if the feedback is accompanied by a time delay, the feedback loop may be provided from the output layer to the input layer, or from the intermediate layer to the input layer, or from the output layer to the intermediate layer. There are various variations.
また、本実施形態では、結合重み係数Kijおよびしきい値θjの学習を行う場合、所定の世代周期で揺動モデルが変更される。この手法によれば、評価対象となる揺動モデルの数が初期的に少なかったとしても、定期的に揺動パターンの変更を繰り替えすことで、多数の揺動モデルを用いて評価を行うことができる。これにより、揺動モデルの多様性により過学習を抑制することができる。なお、過学習を抑制するという点に鑑みれば、大量の揺動パターンを用いて評価を行うことも考えられるが、この手法では、解空間が広がり、最適解を求めることが困難となる。そのため、判定評価値Aerrorへの収束が長期化するという問題がある。この点、本実施形態では、比較的少数の揺動パターンで評価を行い、優秀な個体を選別していきながら学習を進めることにより、評価値Aが判定評価値Aerrorへ収束する時間の長期化を抑制することができる。 Further, in this embodiment, when learning the coupling weight coefficient Kij and the threshold value θj, the swing model is changed at a predetermined generation cycle. According to this method, even if the number of swing models to be evaluated is initially small, evaluation can be performed using a large number of swing models by periodically changing the swing pattern. Can do. Thereby, overlearning can be suppressed by the diversity of the swing model. In view of suppressing overlearning, it is conceivable to perform evaluation using a large number of swing patterns. However, with this method, the solution space is widened and it is difficult to obtain an optimal solution. Therefore, there is a problem that the convergence to the judgment evaluation value Aerror is prolonged. In this regard, in this embodiment, the evaluation time is converged to the judgment evaluation value Aerror by performing evaluation while evaluating with a relatively small number of swing patterns and selecting excellent individuals. Can be suppressed.
また、個体を評価する際に、揺動モデルよりも厳しい条件で設定された人工揺動モデルを用いることにより、実環境で起こり得る突飛な変化に対する対応力を事前学習させることができる。また、揺動モデルは定期的に変更されるため、人工揺動モデルをどの世代の個体に対しても評価することで、その結果を一定条件下の評価指針として共通に扱えるという長所がある。 Further, when an individual is evaluated, by using an artificial rocking model set under conditions more severe than the rocking model, it is possible to learn in advance the ability to cope with sudden changes that may occur in an actual environment. In addition, since the swing model is changed periodically, there is an advantage that the result can be commonly used as an evaluation guideline under a certain condition by evaluating the artificial swing model for any generation of individuals.
なお、遺伝的アルゴリズムによる学習を行う場合、複数の評価条件を設けることにより、局所的な解からの脱出が困難になることが多い。そのため、複雑な複合条件に関しては、解探索に要する計算時間が極端に遅くなったり、全く進まなくなってしまう現象(所謂、局所解へのトラップ)が発生する。そこで、このような問題を解決するために、いわゆる、段階的進化手法を用いた最適化手法を用いてもよい。この段階的進化手法は、複数の条件が組合わさった評価条件に適合した最適解を遺伝的アルゴリズムを用いて算出する。具体的には、遺伝的アルゴリズムに基づいて、個別に設定された評価条件に適合した解の候補を進化個体群PGn(n=1〜N)として出力するGAエンジンが、下位から上位に亘って複数段設けられている。個体移民制御部は、下位側の進化個体群PGnと上位側の進化個体群PGn+1との間で、進化個体群PGn,PGn-1の一部を移動させる。収束判定部は、最上位のGAエンジンの進化個体群PGNに基づいて、最適化の収束判定を行う。各段に設定される評価条件は、下位から上位に向かうに従い、条件が段階的に追加されている。これにより、個体の最適化度合いに応じた進化計算が自動的・自律的に行われるようになる。また、進化個体群の解探索も効率的に行われ、個体遺伝子の偏りも避けられる。その結果、局所解にトラップされる可能性が低くなり、進化の進行度合いはより連続的になるため、良質な解を高速に算出することが可能となる。なお、段階的進化手法を用いた最適化手法の詳細については、特開2002−312755号公報に開示されているので必要ならば参照されたい。
When learning by a genetic algorithm, it is often difficult to escape from a local solution by providing a plurality of evaluation conditions. For this reason, a complicated compound condition may cause a phenomenon that the calculation time required for the solution search becomes extremely slow or does not advance at all (so-called trap to a local solution). Therefore, in order to solve such a problem, an optimization method using a so-called stepwise evolution method may be used. In this stepwise evolution method, a genetic algorithm is used to calculate an optimal solution that matches an evaluation condition in which a plurality of conditions are combined. Specifically, based on a genetic algorithm, a GA engine that outputs solution candidates that meet individually set evaluation conditions as an evolutionary population PGn (n = 1 to N) is provided from the lower level to the higher level. Multiple stages are provided. The individual immigration control unit moves a part of the evolved populations PGn and PGn-1 between the lower-order evolved population PGn and the higher-order evolved
また、検出部10が検出する状態は、上記の形態に限定されない。例えば、第1の検出部11は、ジャイロを用いて、飛行体の姿勢角速度を検出するとともに、この姿勢角速度を積分し、飛行体の姿勢角を算出してもよい。これにより、パラメータ生成部20に入力される情報を豊富化することができるので、より正確に制御を行うことができる。また、第2の検出部は、レーザレーダまたはミリ波レーダなどの測距センサを用い、相対高度を算出してもよい。また、飛行体と着陸面との関係を検出するのであれば、着陸面側から情報を取得して、両者の相対的な関係を検出してもよい。ただし、このケースでは、着陸面と飛行体との間で情報の共有を行う必要があり、その設備を設けるためのコストがかかり、また、着陸面が限定されるという弊害が生じる虞がある。
Further, the state detected by the
また、ニューラルネットワークNNからの出力は着陸速度に限定されず、最適な相対高度等でもよい。また、エンジンの出力値、ローターの回転数・ピッチなど飛行体を制御する制御値を直接的に出力してもよい。また、本実施形態による着陸制御装置は、船上の甲板面への着陸に限定されず、例えば、起伏等が存在する道路を走行する車両への着陸、海上の浮遊体への着陸などその用途は様々である。また、静的な着陸面に対する垂直方向の制御についても適用可能なことはいうまでもない。 Further, the output from the neural network NN is not limited to the landing speed, and may be an optimum relative altitude or the like. Moreover, you may output directly the control value which controls a flying body, such as an engine output value and the rotation speed / pitch of a rotor. In addition, the landing control device according to the present embodiment is not limited to landing on the deck surface on the ship, for example, landing on a vehicle traveling on a road with undulations, landing on a floating body at sea, etc. There are various. Needless to say, the present invention can also be applied to control in the vertical direction with respect to a static landing surface.
1 着陸制御装置
10 検出部
11 第1の検出部
12 第2の検出部
20 パラメータ生成部
30 制御部
40 シミュレータ
NN ニューラルネットワーク
DESCRIPTION OF
Claims (13)
少なくとも着陸面から飛行体までの相対高度を検出する検出部と、
前記検出部によって検出された検出値を入力として、前記飛行体の着陸制御パラメータを出力するニューラルネットワークであって、当該ニューラルネットワークにおける第1のノードの出力が当該第1のノードとは異なる第2のノードへ入力されるフィードバックループを有する前記ニューラルネットワークで構成されたパラメータ生成部と、
前記パラメータ生成部から出力された前記着陸制御パラメータに基づいて、前記飛行体を制御する制御部と
を有することを特徴とする飛行体の着陸制御装置。 In the landing control device of the flying object,
A detection unit that detects at least the relative altitude from the landing surface to the flying object;
A neural network that outputs a landing control parameter of the flying object by using a detection value detected by the detection unit as an input, wherein the output of the first node in the neural network is different from the first node. A parameter generator composed of the neural network having a feedback loop input to the nodes of
A flying object landing control apparatus comprising: a control unit that controls the flying object based on the landing control parameter output from the parameter generation unit.
ニューラルネットワークにおける第1のノードの出力が当該第1のノードとは異なる第2のノードへ入力されるフィードバックループを有する前記ニューラルネットワークに、少なくとも着陸面から飛行体までの相対高度を入力することにより、前記飛行体の着陸制御パラメータを出力する第1のステップと、
前記ニューラルネットワークから出力された前記着陸制御パラメータに基づいて、前記飛行体を制御する第2のステップと
を有することを特徴とする飛行体の着陸制御方法。 In the landing control method of the aircraft,
By inputting at least the relative altitude from the landing surface to the flying object into the neural network having a feedback loop in which the output of the first node in the neural network is input to a second node different from the first node. A first step of outputting landing control parameters of the aircraft;
And a second step of controlling the flying object based on the landing control parameter output from the neural network.
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